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肿瘤干细胞研究进展及其临床应用前景
辇伟奇 陈正堂
(第三军医大学新桥医院全军肿瘤研究所,重庆 400037)
收稿日期:2008201220
作者简介:辇伟奇(19772),男,吉林大安人,在读博士,主治医师、讲师,从事肿瘤临床与基础研究。
通讯作者:陈正堂
【关键词】 肿瘤干细胞; 肿瘤; 临床应用
【Key words 】 CS Cs; Neop las m s; Clinical App licati on
【中图分类号】R730.231 【文献标识码】A 【文章编号】100528664(2009)0520468204 干细胞是一类具有自我更新、多向分化潜能,并能无限增殖分裂的慢周期细胞,其相关研究在生物发育、基因治疗、药物筛选和器官移植等方面发挥着日益重要的作用。近年来,随着对干细胞生理特性研究的不断深入,研究者们发现恶性肿瘤进行性生长、复发和转移等与干细胞诸多基本特性
极其相似,因此,干细胞与肿瘤的关系也就成为了当前肿瘤研究领域的一大热点。
一、肿瘤干细胞与恶性肿瘤
Bonnet 等
[1]
将微量白血病细胞种植在非肥胖型糖尿病2
重症联合免疫缺陷小鼠(non 2obese diabetic 2severe combined
i m munodeficiency,NOD 2S C I D )后在其骨髓中重新形成肿瘤
组织,表明了这部分细胞具有多向分化潜能,最早证实了恶性肿瘤中干细胞的存在。2001年,Reya 等[2]在N ature 上明确提出了肿瘤干细胞学说,即肿瘤组织内存在着肿瘤干细胞
(cancer ste m cells,CSCs),它具有无限增生的潜能,在启动肿瘤形成和生长中起着决定性的作用,而其余的大多数细胞,则经过短暂的分化,最终死亡。2003年,Lap idot等[3]发现,通过阻断白血病干细胞样细胞Bm i1基因表达将能有效地防止白血病复发,这项研究具有标志性意义,进一步为肿瘤干细胞学说提供了有力的证据支持。
目前分离肿瘤干细胞的主要方法为荧光激活细胞分选术,也称为流式细胞技术(fluorescence activated cell s orting, F ACS)和磁性细胞分选术(magnetic activated cell s orting, MACS)。前者应用最为广泛,至今,研究者用这一方法相继在乳腺癌、脑胶质瘤、前列腺癌、结肠癌、肝癌、胰腺癌和肺癌等分离鉴定出了相应肿瘤干细胞。这些研究从根本上改变了对肿瘤发生、复发和转移的传统认识,大大推动了肿瘤诊断和治疗模式的转变进程,但同时也给临床肿瘤学研究带来了新的课题和挑战。
二、肿瘤干细胞起源
肿瘤干细胞究竟是从静止期细胞或正常干细胞转化而来,还是由祖细胞重新获得了自我更新能力所形成的,目前尚无定论。有研究发现[1,4],白血病干细胞样细胞可能是从多种不同的白血病细胞亚群获得的,它们分别表达着与造血干细胞不同分化阶段相似的细胞表面标记物,这表明肿瘤干细胞可能来源于正常造血干细胞的转化,而不是某些特定的祖细胞。进而,Hope等[5]通过与造血干细胞相同模式的功能分析法,依据不同的自我更新能力成功地将白血病干细胞样细胞排列为一个细胞遗传谱系。
W eiss man等[6,7]则持相反观点,他们认为除了造血干细胞,某些特定祖细胞亚群也能转化为肿瘤干细胞,从而引发了肿瘤细胞的潜伏期、表型和基因表达等相应改变。如,用MLL2E NL融合基因转染后的小鼠髓性祖细胞也能产生和常规分离白血病干细胞样细胞同等的生物学效应;在人类慢性粒细胞白血病中,激活粒2巨系祖细胞的β2catenin就能增强其自我更新能力和致白血病活性;Huntley等[8]用MOZ2TI F2基因转导髓性祖细胞,后者既可诱导白血病的发生,又具备不断被种植成瘤的能力。上述研究表明,部分癌基因可以介导特定祖细胞亚群转化为白血病细胞,肿瘤异质性的本质可能就是某些特定癌基因激活和(或)抑癌基因缺失后,导致的干细胞或祖细胞亚群变化[9]。
对于实体瘤来说,因为缺乏鉴定肿瘤组织和正常组织来源细胞更为确切的表面标志物,类似研究还不够深入。近年发现,乳腺上皮干细胞和乳腺癌干细胞的分子表型分别为p21C I P1+M si1+CK19+以及C D44+CD22-/l ow L ineage -,采用流式细胞仪细胞分选技术可获得纯化培养[10,11]。Ki m等[12]自小鼠肺组织成功实现了小鼠支气管肺泡干细胞(B r onchi oalveolar Ste m Cell,BASC)的分离和培养(分子表型为Sca21+CD34+Pecan-C D45-,特异分子标记为SP2C+ CCSP+)。进一步实验发现小鼠BASC具有成体干细胞的基本特性,参与小鼠肺损伤后支气管肺泡上皮的修复。在不典型增生、腺瘤组织BAS C数量明显增加,提示在小鼠肺腺癌可能来源于小鼠BASC的恶性转化,是肺腺癌发生的起源。在前列腺癌、头颈鳞癌、恶性胶质瘤、恶性黑色素瘤、胰腺癌中,研究者也利用正常干细胞表面标志物,如C D44、C D133、ES A、Nestin、α2β1、CD24等,分离鉴定出相应具有高成瘤性肿瘤干细胞或祖细胞。
三、肿瘤干细胞与放化疗抗拒
干细胞在生物体整个生命活动中都保持着自我更新和不断分化的潜能,可见,干细胞一定有着阻止外来物质侵害的自身膜防御系统,如一种特殊的ATP结合盒转运蛋白[ATP2binding cassette(ABC)trans porter]———乳腺癌耐药蛋白(breast cancer resistance p r otein,BCRP),就在多种干细胞上高度表达;在造血干细胞中,该蛋白的表达随着细胞分化程度增高而递减。旁系细胞,又称为侧群细胞(side popula2 ti on,SP),因具有很强的外排染料的功能而呈现Ho2 echst33342低染。SP细胞不仅表达造血干细胞表面标志,而且仅正常量的千分之一即可重建骨髓造血系统。SP表型被作为鉴定干细胞的标志之一,也认为其是诱发肿瘤耐药的重要原因。目前大多数研究认为,SP表型与多种干细胞高表达BCRP密切相关,Zhou等[13]研究证实,Bcr p12/2基因敲除的小鼠无法分离到骨髓SP细胞,而转染Bcr p1基因后SP细胞数量将增加并限制其分化成熟。
ABC基因家族可分为ABC A2ABCG等7个亚家族,其中ABCG2(在人类编码BRCP)、ABCB1(又称MDR1基因,其编码P2gp)、ABCC1(在人类编码MRP1)和ABC A2都曾被报道与SP表型有关。Ho等[14]从六个人肺癌细胞株(H460, A549,H441等)分离SP细胞,证实其具有干细胞某些特性,且ABCG2呈高表达,对多种化疗物耐药。但是,仍有部分来源于前列腺癌、肺癌和乳腺癌等细胞株ABCG2阴性细胞呈现出相似成瘤性[15]。因此,要进一步阐明与SP表型及肿瘤干细胞耐药性的关系和相关机制,还需要更为深入的研究。
Philli p s等[16]从乳腺癌标本中培养分离到呈球形生长的非黏附细胞亚群(CD24/l ow/C D44+),该亚群更具放射抗拒性,2Gy时平均生存指数接近20%,ROS水平和H2AX 磷酸化都较黏附细胞亚群降低,并且在分割放疗时CD24-/ l ow/C D44+细胞在单层培养中的比例有所增加。Bao等[17]研究证实,多形性恶性胶质细胞瘤CD133+亚群能更剧烈地激活细胞周期检查点反应,DNA损伤修复相关基因磷酸化水平更高,从而更有效地修复DNA损伤,同时应用Chk1、Chk2抑制剂能够放射增敏C D133+细胞。上述研究结果对常规放疗敏感性检测手段和传统放疗理论都提出了挑战,也给放疗未来发展指明新方向。
四、肿瘤干细胞与转移
肿瘤转移是一个复杂的多步骤过程,过去认为肿瘤转移优势克隆是由肿瘤发生晚期基因突变获得的,然而,新近研究[18]发现,癌细胞转移能力可能在肿瘤发生起始阶段基因表型改变后即可获得。CSCs自身特性使其更有可能成为转移优势克隆,理论上,即使其他细胞亚群迁徙到转移组织,也不能多向分化形成异质性的转移损伤。
肿瘤转移的组织趋向性表现为特异的细胞分子机制,肿瘤细胞迁徙至首选器官组织,是由转移前微龛(p re2metastatic niche)所分泌化学引诱物或O2梯度介导。CXCL12就是其中较为重要的一种引诱物,已被证实其与受体CXCR4在乳腺癌、前列腺癌、结肠癌等转移进程密切相关。Patrick等[19]发现,C D133+CXCR4+胰腺癌细胞亚群与CD133+CX2 CR4-胰腺癌细胞亚群虽有着类似的自我更新能力和标准化疗耐药性,但却有着更强的迁徙和转移能力,2周后即可发生肝转移。Pier o[20]和Feng等[21]将之命名为转移干细胞(metastatic cancer ste m cells,mCSCs),认为其是肿瘤发生转移的根本要素。
由于在肿瘤最初形成时转移前微龛和mCSCs就很可能已经存在,所以靶向杀伤归巢和定居的mCSCs技术上还有较大难度。但是,当前进一步发展抗肿瘤休眠药物,将会有助于靶向阻断转移组织中休眠mCSCs的激活,而对mCSCs 转移前微龛形成机制的深入研究也会给抗休眠药物研发提供新的线索。
五、肿瘤干细胞研究临床应用前景
肿瘤干细胞虽然在肿瘤组织仅占极少的比例,但它们大多处于静止期,能够逃避通常只对快速分裂细胞起效的化疗药物的攻击,因此,肿瘤干细胞被认为是肿瘤治疗后复发的根源,对其生物学行为、基因表型和信号传导通路更为全面系统的认识,必将有助于提高恶性肿瘤的临床治愈率。近来研究发现,除了抑癌基因PTE N和原癌基因Bm i1外,一些在正常干细胞自我更新中发挥重要作用的信号通路,如W nt、Hh和Notch,都参与了肿瘤发生演进过程。
Bm i1基因在维持部分组织正常干细胞生理特性中也是必不可少的,它可以抑制I nk4a、A rf等可诱导干细胞早衰和死亡的基因;在一项小鼠前列腺转基因腺癌模型(transgenic adenocarcinoma of the mouse p r ostate,RAMP)的研究中发现[22],参与神经干细胞由Bm i1激活信号传导通路的11种基因的表达差异和肿瘤转移密切相关,借助该表达谱就可能筛选出一个有着高复发率的肿瘤细胞亚群。这一研究既为判断前列腺癌预后提供了重要参考指标,也进一步证实了肿瘤干细胞和(或)祖细胞可能是导致肿瘤复发、转移的重要原因这一推论。更令人振奋的是,一项在PTE N转基因小鼠开展的研究表明,白血病干细胞和造血干细胞自我更新调控有着不同的机制,Yil m a[23]和Rossi等[24]证实阻断PTE N表达会促进白血病干细胞分化增殖,但正常造血干细胞池却会被耗竭,因此就有可能开发出既可抑制白血病干细胞分化增殖,又能促进正常造血干细胞自我更新的新型药物。
选择与肿瘤干细胞自我更新相关的信号传导通路予以特异性阻断,将是未来治疗恶性肿瘤的又一有力手段。在小鼠髓母细胞瘤种植模型和转基因模型中,用Hh信号传导通路特异性抑制剂治疗,能显著地抑制肿瘤的生长;因在无炎症和创伤的情况下,正常组织中Hh信号传导通路未被活化,故此项治疗并没出现明显的毒副反应[25,26]。另外,Kar2 hadkar等[27]报道了利用Hh信号传导通路活性来判断前列腺癌转移的方法。Notch信号传导通路也是一个潜在的治疗靶点,已有证据表明在髓母细胞瘤的干细胞样亚群中其信号极为活跃,但另一项研究发现[28],特异性阻断该通路将可能导致杯状细胞化生。
鉴定肿瘤干细胞标志物也将是其应用另一重要方向。如,造血干细胞的C D34+/CD38-亚群与白血病干细胞表达着不同的细胞标志物,Thy21和c2kit仅在前者表达,而I L2 3受体a链仅在后者表达[29231]。同时,找到多种肿瘤干细胞标志物及其与正常干细胞基因表达的差异,也将有助于确定肿瘤治疗新靶点。作为乳腺癌干细胞筛选标志物的CD44分子,在正常细胞和肿瘤干细胞转录后修饰中存在着差别剪切,有着不同抗原表位,它可能成为未来肿瘤抗体治疗新靶点[32]。
总之,近几年肿瘤干细胞研究虽取得了一些进展,但要真正用于临床诊治还尚有时日。目前对正常干细胞和肿瘤干细胞微环境的本质,乃至调控其静止期和自我更新的信号传导通路还缺乏足够认识,更需要找到特异的细胞标志物和有效的分离试剂,以便更为准确和快速地鉴定出不同肿瘤细胞亚群的来源。不过,只要我们进一步加紧研究正常干细胞和肿瘤干细胞在细胞表面标志、信号传导通路、基因表达调控等方面的差异,从中筛选出肿瘤治疗新的有效靶点,最终就一定能从根源上消除恶性肿瘤。
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